GIS系统在矿井救援机器人中的设计与应用

1、第28卷第4期2008年12月西安科技大学学报JOURNALOFXIANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.28No14Dec12008文章编号:1672-9315(2008)04-0711-053GIS系统在矿井救援机器人中的设计与应用贾建华,桑玲玲(西安科技大学测绘科学与技术学院,陕西西安710054)摘要:区别于以往的矿井管理系统,矿井救援机器人自主导航GIS系统主要面向煤矿救援机器人,建立井下巷道空间数据库,实现图形与属性信息双向查询;型,;,实现井下巷道三维场景模拟,的现状和技术水平,S系统。以满足机器人定位与导航的需要,从而提高我国煤矿关键词:;

2、定位;导航中图分类号:TD77P91文献标识码:A0引言针对我国煤矿事故频发,且救援水平较低的现状,研究适用于井下发生瓦斯、煤尘爆炸等重大事故后,能够代替人及时进入事故现场,监测井下环境状况、准确地判断井下作业人员的受困位置以及获取环境信息的煤矿救援机器人系统,实现煤矿灾后科学救援,最大限度地减少人员伤亡和财产损失,从而提高我国煤矿安全事故的救援水平具有非常重要的意义。本文依据当前我国煤矿生产的现状和技术水平,研究一种适用于救援机器人运行的地理信息系统(GeographicInformationSystem,GIS),以实现机器人在井下巷道中的定位与导航。将GIS技术引入矿井灾害应急救援管理工

3、作中,使矿井灾后应急救援信息与地理信息有机地结合起来,构建一个基于GIS技术的矿井灾害应急救援系统具有十分重要的现实意义。研究对比了当前流行的GIS软件,选择ArcGIS作为系统平台。该软件是美国环境系统研究所(EnvironmentSystemResearchInstitute,ESRI)在全面整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他多方面的计算机主流技1,2术之后推出的代表GIS最高技术水平的产品。目前已经成为中国地理信息界用户群体最大、应用领域最广的GIS技术平台之一3。在该软件运行环境下,将矿井巷道信息与数字化地图、GIS系统与煤矿安全管理和监控系统相结合,进行矿井救援

4、机器人自主导航GIS系统的设计,实现矿井救援机器人在井下巷道中的自主定位与导航以及最佳救援线路的选择。1系统的结构和功能设计本系统不仅具备普通矿山地理信息系统(MGIS)的基本功能,而且要通过与机器人的信息传输实现其在井下巷道中的定位与导航,因此本系统的结构更复杂(图1)。同时也要求系统具备如图2所示的多种功能。本系统主要用来指导机器人在救援过程中的定位与导航,并实时地对运行的路径进行分析和选择。3收稿日期:2007-10-23责任编辑:杨忠民基金项目:国家自然科学基金项目(50674075/E041504)作者简介:贾建华(1953-),男,甘肃民乐人,副教授,博士,主要从事地理信息系统方面

5、的教学与研究.712西安科技大学学报2008年因此必须具有以下功能:井下巷道空间数据库集成与入库、巷道几何网络分析、三维可视化模拟与分析。1)井下巷道空间数据库集成与入库:如图2所示,实现多源数据入库,显示一个多层结构的地图、地图的放大和缩小等基本功能,进行图形数据和属性数据的交互查询4,用于实时地图定位。并图1系统结构Fig11Thestructureofsystem可根据机器人实时采集数据绘制图形元素如:点、线、文字等功能。数据库以巷道为基础数据,并导入巷道导线点、工业广场、井筒、井田边界等相关数据作为辅助信息。2)巷道几何网络分析模型构建:根据井下巷道的空间数据库建立井下巷道几何网络,重

6、点在于网络结构的设计。由于在2维GIS中不能很好地表现井下巷道之间的空间关系,因此需要通过对网络节点添加不同的属性字段以区图2系统功能模块Fig12Functionofsystem分两个巷道在空间相交还是交错的情况。本文以采掘工程平面图上的巷道交叉点作为网络节点,通过网络连接要素建立几何网络。3)救援机器人的定位与导航:系统根据机器人获取的井下空间信息和环境信息实现机器人的空间定位,根据井下巷道的几何网络特征和属性信息,实现机器人的自主导航。系统的网络分析功能可以实时地选择机器人运行的最佳路径。4)三维可视化模拟与分析:由井下巷道空间数据库中的导线点和高程点提供巷道高程数据,建立井下各层面巷道

7、栅格表面。在设置巷道基准高程时选择由表面获取要素图层的高程,即可在ArcScene模块中建立多层巷道场景,并控制场景中每个图层的符号化、三维空间定位和渲染。2关键技术2.1井下巷道空间数据库建立5矿井是一种特殊的地理区域,通常拥有数百条巷道和大量的通风安全设施,而每条巷道又包含大量的信息,如控制点坐标、巷高及巷宽等,这些繁杂的信息增加了了巷道数据库建立的复杂性。本文以满足救援机器人所需信息为原则,以主要巷道信息和导线点坐标为主要数据,以钻孔、井筒、井田边界、主要公路等为辅助数据,对系统的数据库进行详细设计。数据库的数据来源主要有以下3种。1)矿图快速矢量化。对于没有建立信息化管理系统的矿井,必

8、须研制专用数字化仪对该矿的主要矿图实现快速矢量化。煤矿通常具有包括井上下对照图、采掘工程平面图、矿井通风系统图等基础图件。有的矿井还会有安全监控设备布置图、排水防尘系统图、井下避灾路线图等。根据机器人救援需求,首先对以上图件进行快速矢量化。2)煤矿已有的电子地图或矿山地理信息系统数据。根据我国煤矿信息化的现状,需要开发一个数据第4期贾建华等:GIS系统在矿井救援机器人中的设计与应用713格式转换子系统,以便将CAD图件、数据库文件、Excel表以及MGIS的数据引入本系统。3)机器人在井下实时采集的各种数据。救援机器人的主要工作是探测矿井环境信息,其中矿井瓦斯浓度的信息探测是非常重要的信息。2

9、.2开发井巷网络分析模型,规划救援机器人运行路线2.2.1巷道几何网络分析模型构建6。另外还要获取巷道中的粉尘浓度、温度、湿度以及机器人的空间定位为了将GIS网络分析技术应用于井下巷道,需要建立数字化的井巷网络模型7。构建井下巷道几何网络是实现网络分析的基础。其重点在于网络结构设计,本文以巷道为网络的边要素,以巷道交岔点为网络节点,通过网络连接要素建立网络规则(图3)。该模块主要针对指定网络设定网络边线旗标并进行最佳路径分析,最后在地图上显示分析结果。在地理数据库(Geodatabase)中,(边)和交叉点数据(点),在网络中是连接的,几何网络中是以要素的位置坐标,以字段进行关联完全不同。2.

10、2.2事故救援最佳路径分析煤矿通常有主、副井和1多个风井,和不同类型的巷道选择最佳路径,以便机器人尽快到图3建立几何网络流程图Fig13Flowchatofgeometrynetworkestablishment达出事地点非常重要。决策时首先考虑的是选择最短路径,其次是每条巷道是否发生冒顶、片帮和突水等事故影响通行。另外,还会考虑井下哪些地点有急需救援的人员等无法预见的因素。这就使得救援方案的选择非常困难。在目前的技术条件下,只有GIS的网络分析功能才能迅速给出最佳路径,为救援行动提供决策支持。在ArcGIS中实现的方法是设置一个网络连通性字段,以决定机器人能否从某巷道通过,另外,给巷道的长度

11、,轨道数量,巷道类型等影响机器人运行速度的因素赋以不同的权重值。使用ArcGIS的UtilityNetworkAnalyst,网络分析工具,指定机器人运行的起点和终点,系统便可根据每条巷道的权系数和长度计算出在最佳路径,并在视图窗口显示。反映事故发生后井下可变因素的信息由机器人携带的各种传感器实时采集,通过控制系统传输给GIS。而各种影响因素的权系数则根据其影响程度在软件开发时确定,并输入属性库。2.3井下巷道系统的三维模拟与分析方法8三维空间分析除了对空间对象的位置坐标进行分析外,更重要的是对第三维坐标的分析。利用基础地形数据生成三维地形透视图,模拟仿真井下巷道,并在此基础上进行三维空间分析

12、,是矿山地理信息系统研究的一个重要内容。在ArcGIS环境下,利用ArcScene可完成三维场景的生成和可视化表达。矿井巷道可以根据其高程属性实现三维显示,竖井和控制点还可以根据其深度属性进行突出显示,对于倾斜巷道则要生成DEM才能实现三维显示。煤层巷道根据煤层顶、底板等高线生成DEM。开拓系统的井筒和大巷可根据导线点高程经过插值后建立DEM。当需要精确的高程数据时,系统采用曲线坐标方法以沿主要巷道的纵剖面图作为辅助视图,实现GIS的量测计算功能。3系统开发方法考虑到采用独立开发方式开发本系统不仅成本高,周期长,而且对开发者的软件开发能力要求很高。9,10所以采用了GIS组件技术(Visual

13、Basic+ArcGIS+ArcGISEngine)集成二次开发方法。即在VisualBasic6.0环境中调用ArcGISEngine组件实现基本的GIS功能,调用动态链接库的方式实现巷道管理信息的功能,对各种数据、图件、分析结果和一些空间数据分析方法及综合评价进行集成,并在实现类似于ArcMap的常用数据、视图管理、查询等基本功能的基础上,根据巷道信息管理的需要,构建友好的用户界714西安科技大学学报2008年面,从而更好地实现矿井空间数据库管理、巷道信息查询、空间分析等功能的一体化,并充分利用计算机软硬件条件,使得系统向高效、实用、独立的方向发展。ArcGISEngine提供了大量的高级

14、开发控件,使开发人员可以建立或扩展GIS应用程序和创建高质量的地图用户界面。这些控件包括MapControl、PageLayoutControl、ReaderControl、TOCControl和ToolBarCon2trol。GobleControl、SceneControl。ArcGISEngine包括了ArcObjects的核心功能。Ar2cObjects组件库的每一个组件中定义不同14ogyframeworkofsystem的类,类下面定义了不同的接口,接口中包含不同的属性和方法,系,rcObjects开发具体功能时候,为了获得实现具体功能所需要的方法(函数),(函数)的COM类中取得

15、接口的引用。系统开发的总体技术流程如图4所示。4结论该系统应用组件化的设计思想,面向煤矿救援机器人,将地理信息系统和煤矿井下巷道管理系统进行集成,为煤矿井下巷道及机器人救援管理提供了一个实用、直观、便于操作的可视化系统平台,从而为煤矿救援工作提供了新的模式,能够有效地提高煤矿救援工作的安全性、时效性和准确性,有着广泛的应用前景。本文仅仅完成了系统的总体设计和数据库的结构设计,还没能涉及到数据库及各功能模块的详细设计。另外,对于井下巷道的三维模拟与分析仍然存在一些技术上的难题需要解决。同时,由于将机器人用与矿井事故救援还处于理论研究和探讨阶段,必然还会不断出现新的问题,例如系统和机器人的数据交换

16、问题,以及本系统和矿井安全监测、生产运输等系统的关系等等,都需要继续进行深入的研究与探讨。本文的不妥之处欢迎读者批评指正。参考文献References1科技部遥感中心.地理信息系统与管理决策M.北京:北京大学出版社,1999.RemoteSensingCenteroftheMinistryofScienceandTechnology.GISandmanagementdecisionM.Beijing:PekingUni2versityPress,1999.2董枫,蒋仲安,高蕊.地理信息系统在矿井灾害应急救援中的应用J.矿业安全与环保,2007,34(3):43-46.DONGFeng,JIAN

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